CN112945627A - 浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置 - Google Patents

Abstract

该浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，包括取样器外壳和封堵塞，所述封堵塞可拆卸安装于取样器外壳的底部，所述取样器外壳的内腔中活动套接有活塞和取样筒，所述活塞与取样筒可拆卸连接。本发明通过与取样器外壳连通的导气管，从水面可以向深入到海底的取样器外壳中注气，通过气压推动内部的活塞下行，由此令取样筒可以插入到海底沉积物中，沉积物会从取样筒的底部进入到取样筒的内腔中，实现对沉积物的采集，整个采样装置通过牵引绳牵引，取代了传统柱状取样器加长杆，令取样器可以下潜的深度大大提高，其取样器外壳的顶部还设有整流板，对取样器外壳的姿态进行维持，为取样器在潜水海底的取样提供了方便可行的效果。

Description

浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体为浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置。

背景技术

海洋沉积物是指由于海洋沉积作用所形成的各种海底沉积物的总称，海洋沉积物分为滨海、浅海、半深海和深海沉积物四种类型，其中尤以浅海沉积物所占比例最大，大约占总的海底沉积物的百分之八十以上，对此处沉积物的收集，对研究海洋环境和资源勘探起到了重要作用。

对于浅海礁石的海底沉积物勘探，难度相对较大，由于地形特殊，致使很多体积较大的取样器，例如拖网式取样器、抓斗式取样器等使用都较为不便，采用柱状取样器的比较多，但是浅水区最大深度可达百米，普通柱状取样器很难达到这种深度，所以需要对在此处进行取样的柱状取样器进行相关改进，设计出一种可以不受浅海深度限制的新的取样器，以保证海底取样效率。

发明内容

本发明的目的在于提供浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，包括取样器外壳和封堵塞，所述封堵塞可拆卸安装于取样器外壳的底部，所述取样器外壳的内腔中活动套接有活塞和取样筒，所述活塞与取样筒可拆卸连接，所述取样筒的内腔顶部固定安装有导套，所述导套的内腔中设置有一号弹簧和顶杆，所述一号弹簧的上下两端分别与导套内腔的顶部和顶杆连接，所述顶杆的底端固定连接有封堵块，所述取样筒的底端可拆卸安装有限位块，所述封堵块的底端活动套接于限位块内部通道的顶部，所述取样器外壳的顶部固定连通有导气管。

优选的，所述取样器外壳的底端表面开设有五个排水孔，所述取样器外壳外表面的上部分固定安装有三根支撑腿，所述支撑腿的内腔与取样器外壳内部位于活塞上方的腔体连通，所述取样器外壳柱身的顶端固定安装有三个整流板，所述取样器外壳的顶端还活动安装有连接架，所述连接架的顶端连接有牵引绳，所述牵引绳通过卡接件与导气管绑定，所述导气管的底端与取样器外壳内部位于活塞上方的腔体连通。整流板的作用是，在采样装置下沉的过程中，其可以令采样装置整体姿态保持竖直向下的姿态，而导气管和牵引绳被绑定在一起，另一端均在船上，导气管的另一端接气泵，牵引绳的另一端接放绳轮。

优选的，所述支撑腿的竖直内腔中活动套接有插杆，所述插杆的外表面活动套接有二号弹簧，所述二号弹簧的底端与设置于支撑腿内腔壁的一号限位卡接触，所述插杆的内腔中活动套接有下压杆和三号弹簧，相同高度范围内，三号弹簧的圈数大于二号弹簧的圈数，三号弹簧的劲度系数大于二号弹簧的劲度系数，所述三号弹簧的底端与设置于插杆内腔壁的二号限位卡接触，所述下压杆的底端铰接有四个卡脚，所述卡脚的底端铰接于插杆内腔的底部，所述插杆的底部表面开设有四个镂空槽，插杆在自然状态下，由于二号弹簧的作用令其收放于支撑腿的内腔中，但是支撑腿内部的气压增大会导致插杆克服二号弹簧的弹力而下行并伸出支撑腿，如果此时采样装置已经抵达海底并已经站住的话，插杆底部的锥形钻头会直接插入海底沉积物中。

优选的，所述卡脚包括上卡柱和下卡柱，所述上卡柱和下卡柱之间铰接，所述上卡柱的顶端与下压杆铰接，所述下卡柱的底端与插杆内腔的底部铰接。

优选的，四个所述卡脚分别对应一个镂空槽，所述下压杆压住上卡柱向下移动时，所述上卡柱和下卡柱发生弯折并穿过对应镂空槽伸出到插杆的外部，上卡柱和下卡柱在小幅弯折的自然状态下，两者便呈现向外弯曲的状态，故而在下压杆受到气压推动下行时，其底端必然会令上卡柱和下卡柱的弯折程度加大，且均会向外弯折，上卡柱和下卡柱穿过镂空槽向外突出，插入到插杆外部的沉积物中，抓牢沉积物，固定采样装置。

优选的，所述插杆的底端还固定安装有一个锥形钻头，不锈钢锥形钻头有助于插杆快速插入到沉积物中，减少插入阻力。

优选的，所述取样筒的外壁与取样器外壳的内壁之间形成环形柱状空腔，且该环形柱状空腔通过排水孔与取样器外壳的外环境连通，排水孔的直径小，且由于液体的可压缩性极小，导致当位于活塞上方的取样器外壳的内腔中气压增大时，气压会推动活塞和取样筒等一同下行，于是位于活塞下方被灌满水的环形柱状空腔中的水会经过排水孔排出，由此腾出让活塞和取样筒下行的空间，但是由于排水孔的直径小，致使经过其排出的水流量在单位时间内较小，于是没来得及即排出的水暂时滞留在环形柱状空腔中，为活塞提供了很大的支撑力，使得活塞只能缓缓下行，这种设计是考虑到支撑腿中的相关抓地机构，例如插杆需要快速通过气压推动其插到海底淤泥或者砂砾等沉积物中，由于插杆和下压杆均是通过弹簧支撑，其可压缩性远远大于环形柱状内腔中的液体，致使插杆更加快速的受到气压影响，能够快速插入到海底沉积物中，再展开卡脚，实施抓地，进而将整个采样装置稳固在海底。

优选的，位于所述活塞上方的取样器外壳上开设有三个分别与三根支撑腿对接的圆形通孔，位于所述活塞上方的取样器外壳的空腔通过该圆形通孔与三根支撑腿的内腔连通，首先通过导气管向取样器外壳中注气时，气流会经过圆形通孔注入到支撑腿的内腔中。

优选的，所述封堵块为圆台状，所述限位块内侧的顶部设有与封堵块的圆台斜面契合的内斜面，初始状态下，由于一号弹簧的弹力会顶住顶杆始终具备下行的趋势，故而顶杆会顶住封堵块，在初始状态没有外力施加的情况下，封堵块会抵住限位块的顶部，封堵块的外侧斜面也会抵住限位块顶部的内侧斜面，在后续取样筒中充斥着被收集的海底沉积物时，顶杆会由于弹力下行，推着封堵块重新抵住限位块从而将取样筒的底端封口，防止收集物脱落。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过与取样器外壳连通的导气管，从水面可以向深入到海底的取样器外壳中注气，通过气压推动内部的活塞下行，由此令取样筒可以插入到海底沉积物中，沉积物会从取样筒的底部进入到取样筒的内腔中，实现对沉积物的采集，整个采样装置通过牵引绳牵引，取代了传统柱状取样器加长杆，令取样器可以下潜的深度大大提高，其取样器外壳的顶部还设有整流板，对取样器外壳的姿态进行维持，为取样器在潜水海底的取样提供了方便可行的效果。

2、本发明通过当取样器采集到沉积物时，利用设于取样筒内腔中的导套、一号弹簧、顶杆、封堵块和限位块对取样器的底部进行封堵，一号弹簧会在采集完成之后，顶住顶杆，封堵块下行，封堵块与限位块之间会重新构成封堵姿态，防止内部的采集物漏出。

3、本发明通过支撑腿先与海底沉积物接触，三根支撑腿同时为取样器提供了支撑效果，并通过取样器外壳内部气压，影响到支撑腿内腔中的气压，气压会推动插杆插入到沉积物中，下压杆随后也会受到气压影响并下行，致使卡脚弯折并伸出插杆插入到沉积物中，从而将取样器在海底固定抓牢，提供良好的固定效果，加强了取样装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明整体外观示意图；

图2为本发明取样器的内部结构剖视图；

图3为本发明插杆的整体示意图；

图4为本发明插杆的内部结构剖视图；

图5为本发明卡脚的展开示意图；

图6为本发明卡脚的展开正视图；

图7为本发明取样器的内部结构分解示意图；

图8为本发明图2中A部分放大图；

图9为本发明图2中B部分放大图；

图10为本发明图4中C部分放大图；

图11为本发明图4中D部分放大图；

图12为本发明图4中E部分放大图。

图中：1、取样器外壳；2、活塞；3、取样筒；4、导套；5、一号弹簧；6、顶杆；7、封堵块；8、限位块；9、封堵塞；10、排水孔；11、支撑腿；12、插杆；13、二号弹簧；14、下压杆；15、三号弹簧；16、镂空槽；17、卡脚；171、上卡柱；172、下卡柱；18、整流板；19、连接架；20、牵引绳；21、导气管；22、一号限位卡；23、二号限位卡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图12所示，本发明实施例中，浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，包括取样器外壳1和封堵塞9，封堵塞9可拆卸安装于取样器外壳1的底部，取样器外壳1的内腔中活动套接有活塞2和取样筒3，活塞2与取样筒3可拆卸连接，取样筒3的内腔顶部固定安装有导套4，导套4的内腔中设置有一号弹簧5和顶杆6，一号弹簧5的上下两端分别与导套4内腔的顶部和顶杆6连接，顶杆6的底端固定连接有封堵块7，取样筒3的底端可拆卸安装有限位块8，封堵块7的底端活动套接于限位块8内部通道的顶部，取样器外壳1的顶部固定连通有导气管21。

其中，取样器外壳1的底端表面开设有五个排水孔10，取样器外壳1外表面的上部分固定安装有三根支撑腿11，支撑腿11的内腔与取样器外壳1内部位于活塞2上方的腔体连通，取样器外壳1柱身的顶端固定安装有三个整流板18，取样器外壳1的顶端还活动安装有连接架19，连接架19的顶端连接有牵引绳20，牵引绳20通过卡接件与导气管21绑定，导气管21的底端与取样器外壳1内部位于活塞2上方的腔体连通。整流板18的作用是，在采样装置下沉的过程中，其可以令采样装置整体姿态保持竖直向下的姿态，而导气管21和牵引绳20被绑定在一起，另一端均在船上，导气管21的的另一端接气泵，牵引绳20的另一端接放绳轮。

其中，支撑腿11的竖直内腔中活动套接有插杆12，插杆12的外表面活动套接有二号弹簧13，二号弹簧13的底端与设置于支撑腿11内腔壁的一号限位卡22接触，插杆12的内腔中活动套接有下压杆14和三号弹簧15，相同高度范围内，三号弹簧15的圈数大于二号弹簧13的圈数，三号弹簧15的劲度系数大于二号弹簧13的劲度系数，三号弹簧15的底端与设置于插杆12内腔壁的二号限位卡23接触，下压杆14的底端铰接有四个卡脚17，卡脚17的底端铰接于插杆12内腔的底部，插杆12的底部表面开设有四个镂空槽16，插杆12在自然状态下，由于二号弹簧13的作用令其收放于支撑腿11的内腔中，但是支撑腿11内部的气压增大会导致插杆12克服二号弹簧13的弹力而下行并伸出支撑腿11，如果此时采样装置已经抵达海底并已经站住的话，插杆12底部的锥形钻头会直接插入海底沉积物中。

其中，卡脚17包括上卡柱171和下卡柱172，上卡柱171和下卡柱172之间铰接，上卡柱171的顶端与下压杆14铰接，下卡柱172的底端与插杆12内腔的底部铰接。

其中，四个卡脚17分别对应一个镂空槽16，下压杆14压住上卡柱171向下移动时，上卡柱171和下卡柱172发生弯折并穿过对应镂空槽16伸出到插杆12的外部，上卡柱171和下卡柱172在小幅弯折的自然状态下，两者便呈现向外弯曲的状态，故而在下压杆14受到气压推动下行时，其底端必然会令上卡柱171和下卡柱172的弯折程度加大，且均会向外弯折，上卡柱171和下卡柱172穿过镂空槽16向外突出，插入到插杆12外部的沉积物中，抓牢沉积物，固定采样装置。

其中，插杆12的底端还固定安装有一个锥形钻头，不锈钢锥形钻头有助于插杆12快速插入到沉积物中，减少插入阻力。

其中，取样筒3的外壁与取样器外壳1的内壁之间形成环形柱状空腔，且该环形柱状空腔通过排水孔10与取样器外壳1的外环境连通，排水孔10的直径小，且由于液体的可压缩性极小，导致当位于活塞2上方的取样器外壳1的内腔中气压增大时，气压会推动活塞2和取样筒3等一同下行，于是位于活塞2下方被灌满水的环形柱状空腔中的水会经过排水孔10排出，由此腾出让活塞2和取样筒3下行的空间，但是由于排水孔10的直径小，致使经过其排出的水流量在单位时间内较小，于是没来得及即排出的水暂时滞留在环形柱状空腔中，为活塞2提供了很大的支撑力，使得活塞2只能缓缓下行，这种设计是考虑到支撑腿11中的相关抓地机构，例如插杆12需要快速通过气压推动其插到海底淤泥或者砂砾等沉积物中，由于插杆12和下压杆14均是通过弹簧支撑，其可压缩性远远大于环形柱状内腔中的液体，致使插杆12更加快速的受到气压影响，能够快速插入到海底沉积物中，再展开卡脚17，实施抓地，进而将整个采样装置稳固在海底。

其中，位于活塞2上方的取样器外壳1上开设有三个分别与三根支撑腿11对接的圆形通孔，位于活塞2上方的取样器外壳1的空腔通过该圆形通孔与三根支撑腿11的内腔连通，首先通过导气管21向取样器外壳1中注气时，气流会经过圆形通孔注入到支撑腿11的内腔中。

其中，封堵块7为圆台状，限位块8内侧的顶部设有与封堵块7的圆台斜面契合的内斜面，初始状态下，由于一号弹簧5的弹力会顶住顶杆6始终具备下行的趋势，故而顶杆6会顶住封堵块7，在初始状态没有外力施加的情况下，封堵块7会抵住限位块8的顶部，封堵块7的外侧斜面也会抵住限位块8顶部的内侧斜面，在后续取样筒3中充斥着被收集的海底沉积物时，顶杆6会由于弹力下行，推着封堵块7重新抵住限位块8从而将取样筒3的底端封口，防止收集物脱落。

工作原理及使用流程：

首先在采样装置准备下潜采样之前需要做相关准备工作，首先检查各个部分的气密性是否正常，其次，需要从取样器外壳1的底部打开封堵塞9，向环形柱状空间内注满水，再将封堵塞9重新关闭，上述准备工作完成后，采样装置可以入水；

采样装置入水后，开始缓缓放出牵引绳20和导气管21，当采样装置到达海底之后，牵引绳20和导气管21在水中不应有大幅曲卷，应当保持一定的紧绷状态，避免采样装置整体重心可能会因为松垮的牵引绳20和导气管21而偏移，致使采样装置的姿态受到不良影响，上述工作完成之后，开启气泵，通过导气管21向取样器外壳1中注气；

首先受到气压大幅影响的必然是各个插杆12，由于三号弹簧15的劲度系数大于二号弹簧13的劲度系数，致使插杆12最先开始受到气压影响而下行，插杆12底部的锥形钻头插入沉积物中，当插杆12下行到最大深度时便被限位，即已经达到了二号弹簧13的最大压缩量，于是此时下压杆14受到气压影响下行并压缩三号弹簧15，下压杆14下行致使上卡柱171和下卡柱172弯折向外突出，插入插杆12外部的沉积物中，从而抓牢海底，固定住采样装置；

取样器外壳1内部气压增大时，活塞2受到气压影响，也开始下行，但是其下行的速度受到排水孔10单位时间内通量的影响，致使其速度缓慢，当活塞2推取样筒3下行，最终首先接触沉积物的必然是限位块8，取样筒3和限位块8继续下行，沉积物会通过限位块8的内侧进入并顶住封堵块7，令其脱离与限位块8顶部的接触，于是沉积物会进入到取样筒3的内腔中，当取样筒3下行至最大深度时，沉积物也不会再进入取样筒3中，于是封堵块7会由于一号弹簧5的弹力下行，再次与限位块8接触将开口封堵；

收集完毕后，对采样装置内部进行泄压，支撑腿11中的各部分会由于弹簧作用复位，致使插杆12最终缩回到支撑腿11的内部，解除对采样装置的固定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，包括取样器外壳（1）和封堵塞（9），所述封堵塞（9）可拆卸安装于取样器外壳（1）的底部，其特征在于：所述取样器外壳（1）的内腔中活动套接有活塞（2）和取样筒（3），所述活塞（2）与取样筒（3）可拆卸连接，所述取样筒（3）的内腔顶部固定安装有导套（4），所述导套（4）的内腔中设置有一号弹簧（5）和顶杆（6），所述一号弹簧（5）的上下两端分别与导套（4）内腔的顶部和顶杆（6）连接，所述顶杆（6）的底端固定连接有封堵块（7），所述取样筒（3）的底端可拆卸安装有限位块（8），所述封堵块（7）的底端活动套接于限位块（8）内部通道的顶部，所述取样器外壳（1）的顶部固定连通有导气管（21）。

2.根据权利要求1所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述取样器外壳（1）的底端表面开设有五个排水孔（10），所述取样器外壳（1）外表面的上部分固定安装有三根支撑腿（11），所述支撑腿（11）的内腔与取样器外壳（1）内部位于活塞（2）上方的腔体连通，所述取样器外壳（1）柱身的顶端固定安装有三个整流板（18），所述取样器外壳（1）的顶端还活动安装有连接架（19），所述连接架（19）的顶端连接有牵引绳（20），所述牵引绳（20）通过卡接件与导气管（21）绑定，所述导气管（21）的底端与取样器外壳（1）内部位于活塞（2）上方的腔体连通。

3.根据权利要求2所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述支撑腿（11）的竖直内腔中活动套接有插杆（12），所述插杆（12）的外表面活动套接有二号弹簧（13），所述二号弹簧（13）的底端与设置于支撑腿（11）内腔壁的一号限位卡（22）接触，所述插杆（12）的内腔中活动套接有下压杆（14）和三号弹簧（15），所述三号弹簧（15）的底端与设置于插杆（12）内腔壁的二号限位卡（23）接触，所述下压杆（14）的底端铰接有四个卡脚（17），所述卡脚（17）的底端铰接于插杆（12）内腔的底部，所述插杆（12）的底部表面开设有四个镂空槽（16）。

4.根据权利要求3所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述卡脚（17）包括上卡柱（171）和下卡柱（172），所述上卡柱（171）和下卡柱（172）之间铰接，所述上卡柱（171）的顶端与下压杆（14）铰接，所述下卡柱（172）的底端与插杆（12）内腔的底部铰接。

5.根据权利要求4所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：四个所述卡脚（17）分别对应一个镂空槽（16），所述下压杆（14）压住上卡柱（171）向下移动时，所述上卡柱（171）和下卡柱（172）发生弯折并穿过对应镂空槽（16）伸出到插杆（12）的外部。

6.根据权利要求3所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述插杆（12）的底端还固定安装有一个锥形钻头。

7.根据权利要求1所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述取样筒（3）的外壁与取样器外壳（1）的内壁之间形成环形柱状空腔，且该环形柱状空腔通过排水孔（10）与取样器外壳（1）的外环境连通。

8.根据权利要求2所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：位于所述活塞（2）上方的取样器外壳（1）上开设有三个分别与三根支撑腿（11）对接的圆形通孔，位于所述活塞（2）上方的取样器外壳（1）的空腔通过该圆形通孔与三根支撑腿（11）的内腔连通。

9.根据权利要求1所述的浅海礁石区域应用的海底沉积物采样装置，其特征在于：所述封堵块（7）为圆台状，所述限位块（8）内侧的顶部设有与封堵块（7）的圆台斜面契合的内斜面。

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